Cảm biến phát hiện nhiệt độ điện trở nhiệt RTD là gì?

Máy dò nhiệt độ điện trở hoặc RTD có thể là các loại cảm biến nhiệt độ đơn giản. Các thiết bị này hoạt động theo nguyên tắc rằng điện trở của kim loại thay đổi theo nhiệt độ. Kim loại tinh khiết thường có hệ số kháng nhiệt độ dương, có nghĩa là điện trở của chúng tăng khi nhiệt độ tăng. RTD hoạt động trong phạm vi nhiệt độ rộng của -200 ° C đến +850 ° C và cung cấp độ chính xác cao, sự ổn định lâu dài tuyệt vời, và độ lặp lại.

Máy dò nhiệt độ điện trở bạch kim Max31865 & PT1000

Máy phát nhiệt độ RTD PT100 DC24V trừ 50 ~ 100 cấp

Đầu dò cảm biến nhiệt độ RTD PT100 cho lò nướng

Trong bài viết này, Chúng tôi sẽ thảo luận về sự đánh đổi của việc sử dụng RTD, các kim loại được sử dụng trong chúng, Hai loại RTD, và cách RTD so sánh với cặp nhiệt điện.

Trước khi chúng ta lặn xuống, Hãy cùng xem một sơ đồ ứng dụng ví dụ để hiểu rõ hơn về cơ bản RTD.

Ví dụ sơ đồ ứng dụng RTD

RTDs are passive devices that do not generate an output signal on their own. Figure 1 shows a simplified RTD application diagram.

Circuit Diagram for RTD Application Example.jpeg

Figure 1. RTD application diagram example.

The excitation current I1 passes through the temperature-dependent resistance of the sensor. This produces a voltage signal that is proportional to the excitation current and the resistance of the RTD. The voltage across the RTD is then amplified and sent to an ADC (analog-to-digital converter) to produce a digital output code that can be used to calculate the RTD temperature.

Tradeoffs of Using RTD Sensors – Advantages and Disadvantages of RTD Sensors

Trước khi chúng ta lặn xuống, it is important to note that the details of RTD signal conditioning will be covered in a future article. For this article, Tôi muốn làm nổi bật một số sự đánh đổi cơ bản khi sử dụng các mạch RTD.

Đầu tiên, Lưu ý rằng dòng kích thích thường bị giới hạn ở xung quanh 1 MA để giảm thiểu các hiệu ứng tự làm nóng. Khi dòng kích thích chảy qua RTD, Nó tạo ra I2R hoặc Joule nóng. Hiệu ứng tự làm nóng có thể nâng nhiệt độ cảm biến lên các giá trị trên nhiệt độ môi trường thực sự đang được đo lường. Giảm dòng kích thích có thể làm giảm hiệu ứng tự làm nóng. Nó cũng đáng nói rằng hiệu ứng tự làm nóng phụ thuộc vào phương tiện mà RTD được đắm mình. Ví dụ, Một RTD được đặt trong không khí vẫn có thể gặp phải các hiệu ứng tự làm nóng đáng kể hơn so với RTD được ngâm trong nước chảy.

Cho một sự thay đổi nhiệt độ có thể phát hiện nhất định, Sự thay đổi điện áp RTD phải đủ lớn để khắc phục nhiễu hệ thống cũng như độ lệch và trôi dạt của các tham số hệ thống khác nhau. Vì tự làm nóng giới hạn dòng kích thích, Chúng ta cần sử dụng RTD với khả năng kháng đủ lớn, do đó tạo ra một điện áp lớn cho khối xử lý tín hiệu xuôi dòng. Trong khi một điện trở RTD lớn là mong muốn để giảm các lỗi đo lường, Chúng ta không thể tự tùy ý tăng điện trở vì điện trở RTD lớn hơn dẫn đến thời gian đáp ứng chậm hơn.

Kim loại RTD: Sự khác biệt giữa bạch kim, Vàng, và RTD đồng

Trong lý thuyết, Bất kỳ loại kim loại nào cũng có thể được sử dụng để xây dựng RTD. RTD đầu tiên được phát minh bởi CW Siemens trong 1860 đã sử dụng dây đồng. Tuy nhiên, Siemens sớm phát hiện ra rằng RTD bạch kim tạo ra kết quả chính xác hơn trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn.

Hôm nay, RTD bạch kim là cảm biến nhiệt độ được sử dụng rộng rãi nhất để đo nhiệt độ chính xác. Bạch kim có mối quan hệ nhiệt độ điện trở tuyến tính và có thể lặp lại cao trong phạm vi nhiệt độ lớn. Ngoài ra, bạch kim không phản ứng với hầu hết các loại khí gây ô nhiễm trong không khí.

Ngoài bạch kim, Hai vật liệu RTD phổ biến khác là niken và đồng. Bàn 1 cung cấp các hệ số nhiệt độ và độ dẫn tương đối của một số kim loại RTD phổ biến.

High Temp PT100 PLATINUM SỨC KHỎE ĐÁ

WZP-130 231 Thép bằng thép không gỉ Điện trở PT100 Cảm biến nhiệt độ

Điện trở nhiệt cảm biến nhiệt độ PT100 cho vòng bi

Bàn 1. Hệ số nhiệt độ và độ dẫn tương đối của kim loại RTD thông thường. Dữ liệu được cung cấp bởi BAPI

In the previous section, we discussed how larger RTD resistance can reduce measurement errors. Copper has a higher conductivity (or equivalently, lower resistance) than platinum and nickel. For a given sensor size and excitation current, a copper RTD can produce a relatively small voltage. Vì thế, copper RTDs can be more challenging to measure small temperature changes. Ngoài ra, copper oxidizes at higher temperatures, so the measurement range is also limited to -200 ĐẾN +260 °C. Despite these limitations, copper is still used in some applications due to its linearity and low cost. As shown in Figure 2 below, of the three common RTD metals, copper has the most linear resistance-temperature characteristic.

Resistance vs. Temperature Characteristics of Nickel, đồng, and Platinum RTDs.jpeg

Figure 2. Resistance vs. temperature characteristics of nickel, đồng, and platinum RTDs. Image courtesy of TE Connectivity

Vàng và bạc cũng có điện trở tương đối thấp và hiếm khi được sử dụng làm yếu tố RTD. Niken có độ dẫn gần với bạch kim. Như có thể thấy trong hình 2, Niken cung cấp một sự thay đổi về điện trở cho một sự thay đổi nhất định về nhiệt độ.

Tuy nhiên, Niken cung cấp phạm vi nhiệt độ thấp hơn, phi tuyến lớn hơn, và trôi dạt dài hạn lớn hơn bạch kim. Ngoài ra, Điện trở Niken sườn thay đổi từ lô này sang lô khác. Vì những hạn chế này, Niken được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng chi phí thấp như sản phẩm tiêu dùng.

RTD bạch kim phổ biến là PT100 và PT1000. Những cái tên này mô tả loại kim loại được sử dụng trong cấu trúc cảm biến (Bạch kim hoặc Pt) và sức đề kháng danh nghĩa tại 0 °C, đó là 100 Ω cho PT100 và 1000 Đối với các loại PT100 và PT1000, tương ứng. Các loại PT100 phổ biến hơn trong quá khứ; Tuy nhiên, today the trend is toward higher resistance RTDs, as higher resistance provides greater sensitivity and resolution at little or no additional cost. RTDs made from copper and nickel use similar naming conventions. Bàn 2 lists some common types.

Bàn 2. RTD types, materials, and temperature ranges. Data provided by Analog Devices

In addition to the type of metal used, the mechanical structure of the RTD also affects sensor performance. RTDs can be divided into two basic types: thin film and wirewound. These two types will be discussed in the following sections.

Thin Film vs. Wirewound RTDs

To further our discussion of RTDs, let’s explore two types: thin film and wirewound.

Thin Film RTD Basics

Thin Film RTD Display Structure.jpeg

The structure of the thin film type is shown in Figure 3(Một).

Figure 3. Ví dụ về RTD màng mỏng, Ở đâu (Một) hiển thị cấu trúc và (b) hiển thị các loại tổng thể khác nhau. Hình ảnh (sửa đổi) Lịch sự của Evosensors

Trong một bộ phim mỏng rtd, Một lớp bạch kim mỏng được lắng đọng trên đế gốm. Tiếp theo là ủ và ổn định nhiệt độ rất cao, và một lớp kính bảo vệ mỏng bao phủ toàn bộ phần tử. Vùng cắt được hiển thị trong hình 3(Một) được sử dụng để điều chỉnh điện trở được sản xuất thành giá trị mục tiêu được chỉ định.

RTD màng mỏng dựa vào công nghệ tương đối mới giúp giảm đáng kể thời gian lắp ráp và chi phí sản xuất. So với loại Wirewound, mà chúng ta sẽ khám phá sâu trong phần tiếp theo, RTD màng mỏng có khả năng chống lại thiệt hại hơn do sốc hoặc rung. Ngoài ra, RTD màng mỏng có thể chứa các điện trở lớn trong một khu vực tương đối nhỏ. Ví dụ, Một 1.6 mm bởi 2.6 cảm biến mm cung cấp đủ diện tích để tạo ra một điện trở của 1000 Ồ. Do kích thước nhỏ của chúng, RTDS màng mỏng có thể đáp ứng nhanh chóng với sự thay đổi nhiệt độ. Các thiết bị này phù hợp cho nhiều ứng dụng đa năng. Những nhược điểm của loại này tương đối ổn định lâu dài và phạm vi nhiệt độ hẹp.

Wirewound RTDs

Xây dựng một RTD Wirewound

Figure 4. Tổng quan về việc xây dựng một RTD Wirewound cơ bản. Hình ảnh lịch sự của Điện tử PR

Loại RTD này được tạo ra bằng cách cuộn một chiều dài của bạch kim xung quanh lõi gốm hoặc thủy tinh. Toàn bộ phần tử thường được gói gọn trong một ống gốm hoặc thủy tinh cho mục đích bảo vệ. RTD với lõi gốm phù hợp để đo nhiệt độ rất cao. RTD WireWound thường chính xác hơn các loại màng mỏng. Tuy nhiên, Chúng đắt hơn và dễ dàng bị hư hại hơn do rung động.

Để giảm thiểu bất kỳ căng thẳng nào trên dây bạch kim, Hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu được sử dụng trong cấu trúc cảm biến phải phù hợp với bạch kim. Các hệ số giãn nở nhiệt giống hệt nhau giảm thiểu sự thay đổi điện trở do ứng suất dài hạn trong phần tử RTD, do đó cải thiện độ lặp lại cảm biến và sự ổn định.

RTD vs. Tính chất cặp nhiệt điện

Để kết thúc cuộc trò chuyện này về các cảm biến nhiệt độ RTD, Dưới đây là một so sánh ngắn gọn giữa RTD và các cảm biến cặp nhiệt điện.

Một cặp nhiệt điện tạo ra một điện áp tỷ lệ thuận với chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm nối của nó. Cặp nhiệt điện được tự cấp nguồn và không yêu cầu kích thích bên ngoài, trong khi các phép đo nhiệt độ dựa trên RTD yêu cầu dòng kích thích hoặc điện áp. Đầu ra cặp nhiệt điện chỉ định chênh lệch nhiệt độ giữa các mối nối lạnh và nóng, Vì vậy, cần phải bồi thường giao lộ lạnh trong các ứng dụng cặp nhiệt điện. Mặt khác, Bồi thường giao lộ lạnh không cần thiết cho các ứng dụng RTD, dẫn đến một hệ thống đo lường đơn giản hơn.

Cặp nhiệt điện thường được sử dụng trong -184 ° C đến 2300 ° C phạm vi, trong khi RTD có thể đo lường từ -200 ° C đến +850 °C. Mặc dù RTD thường chính xác hơn so với cặp nhiệt điện, Chúng đắt hơn khoảng hai đến ba lần so với cặp nhiệt điện. Một điểm khác biệt khác là RTD tuyến tính hơn so với cặp nhiệt điện và thể hiện sự ổn định dài hạn vượt trội. Với cặp nhiệt điện, Thay đổi hóa học trong vật liệu cảm biến có thể làm giảm sự ổn định lâu dài và khiến việc đọc cảm biến trôi dạt.